【防务资讯】美国国防部《能源与电力路线图》规划2030年发展
2015年3月，美国国防部能源与动力相关小组发布了《能源与电力路线图》（下简称《路线图》）。《路线图》符合国防部《作战能源战略》和各军种能源目标要求，旨在通过提高能效降低作战燃料能源补给费用，满足先进武器和传感器的电力需求，同时促进民用电力与能源系统发展。能源与动力相关小组由陆、海、空及负责研究和工程的国防部副部长办公室相关单位构成，该小组目标是通过智能、高效的能源与动力管理技术提高作战效能。
《路线图》综合考虑了发电与能源转化、电力控制与配电、热量传递与控制、储能、机电转化五个技术领域，结合作战应用实际，提出战术能源独立、自主平台动力、灵活电力网络、能源优化平台、高能武器及传感器五个应用领域，并提出了相应的关键技术发展目标。
一战术能源独立
战术能源独立应用领域目标包括四个方面。一是发展战术平台可再生能源系统，利用本地能源为小于150人的作战单位供电。二是改进动力系统体积、重量、效率，提高战术平台航程和巡航力。三是发展可现场装配和维修的模块化动力系统，利用智能动力管理系统实现快速重构，维持供需平衡。四是促进燃料多样化、现场制备燃料、能量收集，减少维持基地运行的燃料需求。该应用领域未来将有助于提高作战能源供应可靠性，降低燃料补给负担和后勤弱点，减少废物排放，提高作战效能。
美国国防部目前开展的相关项目包括可再生持续型远征电源项目、便携式士兵电源项目、单兵配电系统项目等。
表 1 战术能源独立应用领域关键技术及发展目标
关键技术 | 目标 | |||
2015年状态或需求 | 近期（2021年） | 中期（2025） | 远期（2030） | |
增加可再生能源在战术平台中的应用 | 可再生能源用量不足3% | 用量提高至5-10% | 用量提高至15-20% | 使用多种可再生能源，总量占25% |
小型战术平台高比能储能技术 | 需提高小型战术平台灵活性、适应性，开发模块化能源 | 储能种类减少20%，比能提高5%，供电高峰期使用混合储能系统 | 储能种类减少50%，比能提高10%，使用综合储能方式和小型配电系统 | 储能种类减少75%，比能提高30%，储能系统可满足峰值用电需求 |
提高电源（含发电机）比功和效率 | 每人每天消耗8加仑燃油 | 发电机比功提高5%，平均发电效率达到15%，燃料转化效率较3kW战术无声发电机提高40% | 发电机比功提高10%，平均发电效率达到20%，燃料转化效率提高40% | 发电机比功提高15%，平均发电效率达到30%，燃料转化效率提高50% |
智能供/配电管理 | 缺乏负载供电的自动调节能力 | 感知供电能力和负载用电要求 | 自主确认供电能力和负载用电要求 | 供电和负载用电实现全自主控制 |
图 1 各军种在战术能源独立应用领域的研究安排
二自主平台动力
自主平台动力应用领域目标包括两个方面。一是发展未来无人系统的动力和能源装置，具备长续航力、高可靠性、可扩展性、低维护特性。二是根据传感器、武器等任务负载调整能源供应。该应用领域未来将促进水下、地面、高/低空无人系统的实战化应用。
美国国防部目前开展的相关项目包括UUV长航时推进系统项目、小型无人车长续航力推进系统项目、小型/微型无人机动力及热管理系统项目等。
表 2 自主平台动力应用领域关键技术及发展目标
关键技术 | 目标 | |||
2015年状态或需求 | 近期（2021年） | 中期（2025） | 远期（2030） | |
长航时动力与推进技术 | 无人机：发电机仅不到10%的输出可用于负载 | 无人机：发电机20%的输出可用于负载 | 无人机：发电机大于20%的输出可用于负载，功率范围250-3000W | 无人机：使用JP8燃油的高比能动力系统（重量低于15磅） |
UUV：比能为100Wh/kg | UUV：比能为300Wh/kg | UUV：比能为500Wh/kg | UUV：比能为1000Wh/kg | |
无人车/无人值守传感器：需促进无人系统电气化，增加燃油灵活性 | 发电：功率系数1.5马力/磅，燃料消耗0.4磅/马力 | 发电：功率系数2.0马力/磅，燃料消耗0.3磅/马力 | 发电：功率系数2.5马力/磅，燃料消耗0.2磅/马力 | |
不依赖空气的高密度氧化剂和燃料源 | 需发展安全有效的氧化剂/燃料储存和制备技术 | 使用高压氢气和氧气 | 先进氧化剂和无硫后勤燃料 | 后勤燃料和液氢 |
根据任务需求调整能源供应 | 需提高新型负载供电能力，减少热负荷 | 智能动力控制和重构、负载监测，使用多个动力源 | 使用轻型储能系统，将平台续航力提高50% | 智能动力系统，可从环境中获取能量，平台负载能力提高3倍 |
自主系统能源与动力使用优化（高效、低噪声） | 当前动力与能源技术无法满足目标任务和续航力要求 | 优化混合储能系统相关技术 | 轻型动力系统，满足突发动力需求 | 任意任务的能源与动力需求减少一半 |
图 2 各军种在自主平台动力应用领域的研究安排
三灵活电力网络
灵活电力网络应用领域目标包括三个方面。一是通过智能电力管理和配电技术，根据负载需求自动配置电力，实现供电预测与控制，提高供电效率。二是提高任务效能，增强生存能力、可靠性。三是减少人机接口，降低费用、减少后勤维护，提高生存能力。该应用领域将促进对动力源的高效利用，优化电网的作战应用性能。
美国国防部目前开展的相关项目包括作战能源项目、载具接入电网技术项目等。
表 3 灵活电力网络应用领域关键技术及发展目标
关键技术 | 目标 | |||
2015年状态或需求 | 近期（2021年） | 中期（2025） | 远期（2030） | |
软件/固件/硬件集成和接口 | 燃料使用和需求需进行数字化 | 统一发电控制界面，具备电网储能能力 | 配电控制和相位平衡，标准化协议和信息 | 即插即用、相位平衡、实时控制、混合智能交-直流架构 |
数字化架构，电力及其安全系统的网络控制 | 对小扰动较为敏感，电网不稳定，供电网络不安全 | 实现电网通信协议，初步实现电网诊断和预测，为电网中赋予网络能力 | 实时预警，多数设备具有诊断和预测能力，接入军用网站，具有可靠的网络能力 | 电网云计算能力，促进可重构的网络物理安全，实现可靠的诊断和预测 |
综合开放架构，电力系统控制和管理智能化、自主化、可预测，电力模块即插即用 | 电网故障需人为修理，缺乏设计基准 | 将电网维护所需的人工耗时和操作减少至1/10，降低成本 | 通过自动化减少人工工作强度，通过协议实现系统重构 | 自动实现电网系统配置和优化 |
可重构、可扩展、模块化电网 | 需减少燃料消耗 | 标准化模块设计 | 智能多级识别 | 自主智能感知和重构 |
图 3 各军种在灵活电力网络应用领域的研究安排
四能源优化平台
能源优化平台应用领域目标包括五个方面。一是促进电气化。二是构建基于用电需求的电力系统架构，将能效提高20%。三是增强电力系统可重构性。四是促进能源来源灵活化。五是消除温度对平台的约束。该应用领域将有助于减少燃油需求、降低能源成本，增强平台的生存能力、机动性和隐身性，提高作战效能。
美国国防部目前开展的相关项目包括集成载具能源技术项目、先进推进系统备现场动力项目、电力舰艇研发联盟项目等。
表 4 能源优化平台应用领域关键技术及发展目标
关键技术 | 目标 | |||
2015年状态或需求 | 近期（2021年） | 中期（2025） | 远期（2030） | |
降低空中/陆上/海上载具的重量和阻力 | 运力增加，同时体积重量也有所增加 | 减少5%-8%的载具阻力损失 | 降低大于10%的阻力损失 | 飞机外模线和外壳可重构 |
降低原动机油耗 | 卡诺循环限制了燃油消耗率，需要增加电动力系统的使用 | 综合利用电动力和热动力，部分应用可变/自适应循环子系统 | 更多应用混合动力系统，普遍使用可变/自适应循环子系统 | 峰值功率下应用混合动力系统，发展卡诺/布雷顿外的先进热力学循环系统 |
增强对配电网络的控制，提高配电效率 | 单向电力系统 | 促进平台的电气化，降低10%的热负荷 | 双向电力控制，热负荷降低10%，标准化电力系统重构架构 | 智能可重构架构，通过综合电力管理与控制实现高配电效率 |
故障后恢复和重构 | 需提高可靠性 | 快速诊断 | 综合控制算法 | 智能故障预测，自动再运行 |
图 4 各军种在能源优化平台应用领域的研究安排
五高能武器及传感器
高能武器及传感器应用领域目标主要是使平台电力满足负载要求，支持先进传感器和武器系统的电力需求，包括大功率雷达、激光武器、高功率微波、电磁导轨炮等。
美国国防部目前开展的相关项目包括宽带宽高效电力开关项目、固态高效拒止技术项目、激光诱因等离子体通道项目等。
表 5 高能武器及传感器应用领域关键技术及发展目标
关键技术 | 目标 | |||
2015年状态或需求 | 近期（2021年） | 中期（2025） | 远期（2030） | |
用于动态电力系统的高功率密度电源 | 急需高功率电源 | 将储能技术用于脉冲电力系统 | 综合平台系统架构 | 即插即用、可平衡负载、实时控制 |
管理高脉冲负载 | 热管理能力有限 | 加快硅基电力电子器件开关速度 | 用于脉冲形成电路的宽带宽高功率开关 | 综合设计配电系统和脉冲形成电路 |
适用于特定负载的平台电源，并提高效率 | 负载变化导致功率输出不稳定 | 空中/海上/地面：利用多种物理方法研究短暂/快速电路动态变化情况 | 空中/海上/地面：利用多种物理方法研究短暂/快速电路动态变化情况 | 空中/海上/地面：系统耐热范围更大，瞬时冷却性能好 |
极端电压、电流、功率等级（组件、快速断路器、绝缘、材料） | 需要高压、电力、热力、机械系统 | 增加固态与混合保护器使用，电弧故障保护速度提高10倍 | 确认全寿期循环能力和安全性，无弧故障保护 | 提高功率和热力密度 |
六未来国防部优先开展的能源与电力工作
《路线图》根据上述五项应用领域，综合分析各自关键技术，提出了未来将优先开展的5项工作，包括综合电力和热管理、智能配电、可重构电力接口及标准（能源网络及微电网）、连续及脉冲电源、能源储存及收集利用。
(来源：蓝海星智库，作者：马晓晨)
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